DE102020118159A1

DE102020118159A1 - LASER DEVICE

Info

Publication number: DE102020118159A1
Application number: DE102020118159.0A
Authority: DE
Inventors: Jörg Erich Sorg; Markus Reinhard Horn; Jan Seidenfaden; Harald König
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2022-01-13
Also published as: WO2022008565A1; US20230253754A1

Abstract

Es wird eine Laservorrichtung (100) angegeben, die zumindest eine Laserdiode (1) mit einer Emissionsoberfläche (11), über die die Laserdiode im Betrieb Laserlicht (10) abstrahlen kann, und ein Abschirmelement (2) mit einer Eintrittsfläche (21), die der Emissionsoberfläche (11) zugewandt ist, aufweist.A laser device (100) is specified, which has at least one laser diode (1) with an emission surface (11) via which the laser diode can emit laser light (10) during operation, and a shielding element (2) with an entry surface (21) which facing the emission surface (11).

Description

Es wird eine Laservorrichtung angegeben.A laser device is specified.

Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Laservorrichtung anzugeben.At least one object of certain embodiments is to provide a laser device.

Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.This object is solved by an object according to the independent patent claim. Advantageous embodiments and developments of the subject are characterized in the dependent claims and are also evident from the following description and the drawings.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Laservorrichtung zumindest eine Halbleiterlaserdiode auf, die hier und im Folgenden kurz auch als Laserdiode oder Laser bezeichnet werden kann. Die Laserdiode, die besonders bevorzugt als Laserdiodenchip ausgebildet ist, ist dazu vorgesehen und eingerichtet, im Betrieb Licht abzustrahlen, das zumindest bei Überschreiten bestimmter Schwellenbedingungen Laserlicht ist. Entsprechend strahlt die Halbleiterlaserdiode im normalen Betrieb bevorzugt Laserlicht ab, das verkürzt auch einfach als Licht bezeichnet werden kann.In accordance with at least one embodiment, a laser device has at least one semiconductor laser diode, which here and below can also be referred to as a laser diode or laser for short. The laser diode, which is particularly preferably embodied as a laser diode chip, is provided and set up to emit light during operation, which is laser light at least when certain threshold conditions are exceeded. Accordingly, the semiconductor laser diode preferably emits laser light during normal operation, which can also be referred to simply as light for short.

Die Laserdiode weist zumindest eine aktive Schicht auf, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, im Betrieb in zumindest einem aktiven Bereich Licht zu erzeugen. Die Laserdiode kann im Betrieb beispielsweise kontinuierlich oder alternativ auch gepulst das Laserlicht abstrahlen. Die aktive Schicht kann insbesondere Teil einer Halbleiterschichtenfolge mit einer Mehrzahl von Halbleiterschichten sein und eine Haupterstreckungsebene aufweisen, die senkrecht zu einer Anordnungsrichtung der Schichten der Halbleiterschichtenfolge ist. Beispielsweise kann die aktive Schicht genau einen aktiven Bereich aufweisen. Weiterhin kann die Laserdiode mehrere aktive Bereiche aufweisen und als so genannter Breitstreifenlaser ausgebildet sein. Für eine langwellige, infrarote bis rote Strahlung ist beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine aktive Schicht auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yAs geeignet, für rote bis gelbe Strahlung ist beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eines aktive Schicht auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yP geeignet und für kurzwellige sichtbare Strahlung, also insbesondere im Bereich von grünem bis blauem Licht, und/oder für UV-Strahlung ist beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine aktive Schicht auf Basis von In_xGa_yAl_1-x-yN geeignet, wobei jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt.The laser diode has at least one active layer which is designed and provided to generate light in at least one active region during operation. During operation, the laser diode can, for example, emit the laser light continuously or alternatively also in a pulsed manner. The active layer can in particular be part of a semiconductor layer sequence with a plurality of semiconductor layers and have a main extension plane which is perpendicular to an arrangement direction of the layers of the semiconductor layer sequence. For example, the active layer can have exactly one active region. Furthermore, the laser diode can have a plurality of active areas and can be designed as a so-called broad area laser. For a long-wave infrared to red radiation is for example a semiconductor layer sequence or at least an active layer based on In _x Ga _y Al _1-xy As suitable for red to yellow radiation is for example a semiconductor layer sequence or at least an active layer based on In _x Ga _y Al _1-xy P and suitable for short wavelength visible radiation, thus in particular in the range of green to blue light and / or UV radiation, for example, a semiconductor layer sequence or at least an active layer based on in _x Ga _y Al _{1- xy} N suitable, where 0≦x≦1, 0≦y≦1 and x+y≦1.

Bei der zumindest einen Laserdiode kann es sich bevorzugt um einen kantenemittierenden Halbleiterlaser handeln. Alternativ kann es sich bei der zumindest einen Laserdiode auch um eine vertikal emittierende Laserdiode, auch als VCSEL („verticalcavity surface-emitting laser“, oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität) bezeichnet, handeln.The at least one laser diode can preferably be an edge-emitting semiconductor laser. Alternatively, the at least one laser diode can also be a vertically emitting laser diode, also referred to as a VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Laserdiode eine Auskoppelseite und eine der Auskoppelseite gegenüberliegende Rückseite auf. Die Auskoppelseite und die Rückseite können bei einem kantenemittierenden Halbleiterlaser insbesondere Seitenflächen der Laserdiode, besonders bevorzugt Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge, sein, die auch als sogenannte Facetten bezeichnet werden können. Über die Facette auf der Auskoppelseite kann die Laserdiode im Betrieb das im aktiven Bereich erzeugte Laserlicht abstrahlen. Auf der Auskoppelseite und der Rückseite können geeignete optische Beschichtungen, insbesondere reflektierende oder teilreflektierende Schichten oder Schichtenfolgen, aufgebracht sein, die einen optischen Resonator für das in der aktiven Schicht erzeugte Licht bilden. Im Fall einer als VCSEL ausgebildeten Laserdiode kann die Auskoppelseite durch eine Oberseite gebildet werden, für die entsprechende Merkmale gelten können.In accordance with a further embodiment, the laser diode has a coupling-out side and a rear side lying opposite the coupling-out side. In the case of an edge-emitting semiconductor laser, the coupling-out side and the rear side can in particular be side surfaces of the laser diode, particularly preferably side surfaces of the semiconductor layer sequence, which can also be referred to as so-called facets. During operation, the laser diode can emit the laser light generated in the active area via the facet on the decoupling side. Suitable optical coatings, in particular reflective or partially reflective layers or layer sequences, can be applied to the coupling-out side and the back, which form an optical resonator for the light generated in the active layer. In the case of a laser diode designed as a VCSEL, the coupling-out side can be formed by an upper side, for which corresponding features can apply.

Die Laserdiode kann insbesondere eine Emissionsoberfläche auf der Auskoppelseite aufweisen, aus der das im Betrieb erzeugte Licht aus der Laserdiode austreten kann. Die Emissionsoberfläche kann auch als Lichtaustrittsfläche oder Lichtaustrittsfacette bezeichnet werden. Die Emissionsoberfläche bildet insbesondere eine Grenzfläche der Laserdiode, mit der die Laserdiode an ein umgebendes Medium, das kein Bestandteil der Laserdiode ist, angrenzt. Das umgebende Medium, das an die Emissionsoberfläche angrenzt und mit dem die Emissionsoberfläche dadurch in direktem Kontakt steht, kann besonders bevorzugt Luft sein, insbesondere Luft der die Laservorrichtung umgebenden Atmosphäre. Die Emissionsoberfläche kann beispielsweise durch eine Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge oder durch eine Oberfläche einer Beschichtung auf der Halbleiterschichtenfolge, die ein Bestandteil der Laserdiode ist, gebildet werden.The laser diode can in particular have an emission surface on the decoupling side, from which the light generated during operation of the laser diode can exit. The emission surface can also be referred to as a light exit surface or light exit facet. In particular, the emission surface forms an interface of the laser diode, with which the laser diode borders on a surrounding medium that is not part of the laser diode. The surrounding medium, which borders the emission surface and with which the emission surface is in direct contact as a result, can particularly preferably be air, in particular air from the atmosphere surrounding the laser device. The emission surface can be formed, for example, by a surface of the semiconductor layer sequence or by a surface of a coating on the semiconductor layer sequence, which is part of the laser diode.

Beispielsweise weisen kantenemittierende Halbleiterlaser an der Lichtaustrittsfacette hohe Stahldivergenzen auf. In Verbindung mit den hohen Energiedichten ergeben sich daraus hohe Feldstärken. Die hohe Feldstärke kann für einen Materialtransport von Molekülen und Partikeln aus einer beispielsweise gasförmigen Umgebung der Laserdiode zur Laserfacette sorgen. Dieser Effekt ist als „optischer Pinzetteneffekt“ („optical tweezer effect“). Kurz gesagt werden beim optischen Pinzetteneffekt somit Moleküle und Partikel in einen divergenten Lichtstrahl hineingezogen und zum Ort maximaler Strahldichte transportiert, wobei der Effekt bei einer größeren Divergenz stärker ausgeprägt sein kann. Der Materialtransport zur Facette kann zu Ablagerungen am Ort der höchsten Leuchtdichte führen, was zur Verminderung der Ausgangsleistung und zu Beschädigungen führen kann, die zum Totalausfall des Lasers führen können.For example, edge-emitting semiconductor lasers have high beam divergences at the light exit facet. In conjunction with the high energy densities, this results in high field strengths. The high field strength can ensure material transport of molecules and particles from, for example, a gaseous environment around the laser diode to the laser facet. This effect is known as the "optical tweezer effect". In short, with the optical tweezer effect, molecules and particles are drawn into a divergent beam of light and transported to the point of maximum radiance, with the effect being at a greater divergence can be more pronounced. Material transport to the facet can lead to deposits at the point of highest luminance, which can lead to a reduction in output power and damage that can lead to total laser failure.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Laservorrichtung ein Abschirmelement auf, das in Abstrahlrichtung des von der zumindest einen Laserdiode im Betrieb abgestrahlten Lichts der Emissionsoberfläche nachgeordnet ist. Das Abschirmelement weist eine Eintrittsfläche auf, durch die das Laserlicht in das Abschirmelement eintreten kann. Weiterhin weist das Abschirmelement eine Austrittsfläche auf, durch die das Laserlicht aus dem Abschirmelement austreten kann. Das Abschirmelement ist zumindest teilweise in einem Bereich vor der Emissionsoberfläche der Laserdiode angeordnet, in dem bei Abwesenheit des Abschirmelements ein optischer Pinzetteneffekt stattfinden würde.According to a further embodiment, the laser device has a shielding element which is arranged downstream of the emission surface in the emission direction of the light emitted by the at least one laser diode during operation. The shielding element has an entry surface through which the laser light can enter the shielding element. Furthermore, the shielding element has an exit surface through which the laser light can exit from the shielding element. The shielding element is arranged at least partially in an area in front of the emission surface of the laser diode, in which an optical tweezers effect would take place in the absence of the shielding element.

Die Laservorrichtung weist bevorzugt eine Anordnung auf, durch die der optische Pinzetteneffekt ganz oder zumindest teilweise verhindert wird. Die Anordnung und die Ausbildung des Abschirmelements ist besonders bevorzugt derart, dass der divergente Laserlichtstrahl in einem Medium geführt wird, in dem die für den Materialtransport notwendigen Kräfte höher sind als die im Feld aufgebauten Kräfte, wodurch der durch den optischen Pinzetteneffekt hervorgerufene Materialtransport zur Emissionsoberfläche der zumindest einen Laserdiode vorzugsweise zum Erliegen kommen kann. Durch diese Anordnung kann ein Akkumulieren von Ablagerungen an der Emissionsoberfläche unterdrückt werden. Die Strahlführung im Abschirmelement erfolgt somit besonders bevorzugt so lange, bis die Stahldivergenz hinreichend groß ist. Je nach Laserstrahlcharakteristik kann somit der Weg des Laserlichts im Abschirmelement durch eine geeignete Dimensionierung des Abschirmelements und insbesondere einen geeigneten Abstand der Eintrittsfläche zur Austrittsfläche eingestellt werden. Mit der geringeren Strahldichte auf der Lichtaustrittsseite des Abschirmelement, also auf der Seite der Austrittsfläche, kann ein Verhältnis zwischen Absorption und Desorption erreicht werden, dass nicht mehr zu einer Akkumulation von Partikeln oder Molekülen führt. Selbst wenn es immer noch zu Absorptionseffekten kommen sollte, sind diese besonders bevorzugt an der Lichtaustrittsfläche des Abschirmelements wesentlich weniger kritisch als an einer Laserfacette.The laser device preferably has an arrangement by which the optical tweezers effect is completely or at least partially prevented. The arrangement and design of the shielding element is particularly preferably such that the divergent laser light beam is guided in a medium in which the forces required for transporting the material are higher than the forces built up in the field, thereby preventing the transport of material caused by the optical tweezer effect to the emission surface of the at least one laser diode can preferably come to a standstill. With this arrangement, accumulation of deposits on the emission surface can be suppressed. The beam guidance in the shielding element is therefore particularly preferably carried out until the beam divergence is sufficiently large. Depending on the laser beam characteristics, the path of the laser light in the shielding element can thus be set by suitable dimensioning of the shielding element and in particular a suitable distance between the entry surface and the exit surface. With the lower radiance on the light exit side of the shielding element, ie on the side of the exit surface, a ratio between absorption and desorption can be achieved that no longer leads to an accumulation of particles or molecules. Even if absorption effects should still occur, these are particularly preferably significantly less critical on the light exit surface of the shielding element than on a laser facet.

Im Vergleich zur hier beschriebenen Laservorrichtung müssen übliche Laser, insbesondere solche, die kurzwellig emittieren, bisher üblicherweise kostenintensiv gekapselt werden. Um langfristig einen stabilen Betrieb gewährleisten zu können, müssen die Laser hierbei in einer sauberen, hermetisch gekapselten Atmosphäre betrieben werden. Hierzu ist ein geeignetes Gehäuse, im Folgenden auch als Package bezeichnet, notwendig. Aktuell verfügbare Lösung basieren beispielsweise auf rein anorganischen gas- und feuchtigkeitsstabilen Packages in Form von TO-Gehäusen oder auch sogenannten „Gold Boxes“. Solche Gehäuse bestehen aus Kombinationen mit Metall, Keramik und Glas. Elektrische Durchkontaktierungen werden meist durch Einschmelzen von Kontaktpins mit Glas realisiert. Die Packages werden durch Montage von Metalldeckeln, optional mit Fenster, durch Reibschweißen oder Widerstandsschweißen oder Löten verschlossen. Diese Arten von Packages sind zwar qualitativ hochwertig, aber auch kostenintensiv und haben einen maßgeblichen Anteil an den hohen Produktkosten für übliche Laser-Packages. Zusätzlich beanspruchen diese Gehäuse oft einen großen Bauraum und können nicht mit Standard-SMD-Montage-Methoden (SMD: „surface-mounted device“, oberflächenmontiertes Bauelement) bestückt werden.In comparison to the laser device described here, customary lasers, in particular those that emit at short wavelengths, have hitherto usually had to be encapsulated in a cost-intensive manner. In order to be able to guarantee stable operation in the long term, the lasers must be operated in a clean, hermetically sealed atmosphere. A suitable housing, also referred to below as a package, is required for this. Currently available solutions are based, for example, on purely inorganic gas and moisture-stable packages in the form of TO housings or so-called "gold boxes". Such housings consist of combinations with metal, ceramic and glass. Electrical vias are usually realized by fusing contact pins with glass. The packages are closed by installing metal covers, optionally with a window, by friction welding or resistance welding or soldering. Although these types of packages are of high quality, they are also expensive and account for a significant proportion of the high product costs for conventional laser packages. In addition, these housings often take up a large amount of space and cannot be assembled using standard SMD assembly methods (SMD: "surface-mounted device", surface-mounted component).

Im Gegensatz dazu ist es mit der hier beschriebenen Laservorrichtung möglich, eine kostengünstige Lösung für ein robustes, langzeitstabiles Packaging von einer oder mehreren Laserdioden zu erreichen. Die Laservorrichtung kann in Verbindung mit Laserdioden aller Leistungsklassen und Wellenlängen eingesetzt werden.In contrast to this, it is possible with the laser device described here to achieve a cost-effective solution for a robust, long-term stable packaging of one or more laser diodes. The laser device can be used in conjunction with laser diodes of all power classes and wavelengths.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Abschirmelement ein für das Laserlicht transparentes Material auf oder ist daraus. Somit ermöglicht die Laservorrichtung bevorzugt eine Führung des Laserstrahls in einem für die Wellenlänge(n) des Laserlichts transparenten Körper. „Transparent“ bedeutet hier und im Folgenden insbesondere optisch bevorzugt möglichst durchlässig für das Laserlicht.According to a further embodiment, the shielding element has or is made of a material that is transparent to the laser light. The laser device thus preferably enables the laser beam to be guided in a body which is transparent to the wavelength(s) of the laser light. “Transparent” means here and in the following in particular optically preferably as permeable as possible for the laser light.

Für sichtbare Laserstrahlung kann das Abschirmelement beispielsweise Glas, Saphir oder Diamant aufweisen oder daraus sein. Weiterhin können, beispielsweise bei geringen Laserlichtleistungen, also im sogenannten Low-Power-Bereich, Silikone oder andere Kunststoffe zum Einsatz kommen. Somit kann das Abschirmelement beispielsweise einen oder mehrere Kunststoffe aufweisen oder daraus sein, beispielsweise Silikone, Epoxide, Acrylate, Methylmethacrylate, Imide, Carbonate, Olefine, Styrole, Urethane oder Derivate davon in Form von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren und weiterhin auch Mischungen, Copolymere oder Verbindungen damit, etwa Epoxidharz, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyurethan oder bevorzugt Silikonharz wie etwa Polysiloxan oder Mischungen daraus. Beispielsweise für Laserlicht im Infrarotbereich kann das Abschirmelement Silizium aufweisen oder daraus sein.For visible laser radiation, the shielding element can have or be made of glass, sapphire or diamond, for example. Furthermore, silicones or other plastics can be used, for example in the case of low laser light outputs, ie in the so-called low-power range. Thus, the shielding element can, for example, have one or more plastics or be made of them, for example silicones, epoxides, acrylates, methyl methacrylates, imides, carbonates, olefins, styrenes, urethanes or derivatives thereof in the form of monomers, oligomers or polymers and also mixtures, copolymers or Compounds therewith, such as epoxy resin, polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene, polycarbonate, polyacrylate, polyurethane or preferably silicone resin such as polysiloxane or mixtures thereof. example As for laser light in the infrared range, the shielding element can have or be made of silicon.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zumindest eine Laserdiode in einer nicht-hermetisch abgedichteten Umgebung angeordnet. Insbesondere kann die Laserdiode, besonders bevorzugt die Emissionsoberfläche, in direktem Kontakt mit einer die Laservorrichtung umgebenden Atmosphäre sein.According to a further embodiment, the at least one laser diode is arranged in a non-hermetically sealed environment. In particular, the laser diode, particularly preferably the emission surface, can be in direct contact with an atmosphere surrounding the laser device.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Eintrittsfläche des Abschirmelements einen Abstand zur Emissionsoberfläche der zumindest einen Laserdiode auf, der kleiner oder gleich 10 µm und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 3 µm ist. Weiterhin kann der Abstand besonders bevorzugt größer 0 sein. Mit anderen Worten kann zwischen der Emissionsoberfläche der zumindest einen Laserdiode und der Eintrittsfläche des Abschirmelements ein Spalt vorhanden sein, der kleiner oder gleich 10 µm oder besonders bevorzugt kleiner oder gleich 3 µm ist und der gasgefüllt, insbesondere luftgefüllt, sein kann. Derartige Spaltbreiten haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Eine optimale Spaltbreite kann aus der Überlegung gewonnen werden, dass der optische Pinzetteneffekt nur an divergenten Strahlen auftritt. Eine wellenoptische Betrachtung des Lichtaustritts an einer Lichtauskoppelfläche zeigt, dass die Stahldivergenz direkt an der Lichtauskoppelfläche geringer ist als im räumlich entfernten Strahl. Wenn also das Abschirmelement hinreichend dicht vor der Emissionsoberfläche platziert wird, ist die Triebkraft, um Partikel und Moleküle zur Emissionsoberfläche zu transportieren, deutlich vermindert. Insbesondere kann die Eintrittsfläche des Abschirmelements derart ausgebildet sein, dass sie nicht formschlüssig und/oder nicht kraftschlüssig an der Emissionsoberfläche anliegt, wie dies beispielsweise bei einem Verguss der Fall wäre. Das Abschirmelement ist im Gegensatz zu einem Verguss oder einem anderen durch einen Formprozess angeordneten Material ein selbsttragender Körper, der nicht an der Emissionsoberfläche anhaftet.According to a further embodiment, the entry surface of the shielding element is at a distance from the emission surface of the at least one laser diode which is less than or equal to 10 μm and particularly preferably less than or equal to 3 μm. Furthermore, the distance can particularly preferably be greater than 0. In other words, there can be a gap between the emission surface of the at least one laser diode and the entry surface of the shielding element, which is less than or equal to 10 μm or particularly preferably less than or equal to 3 μm and which can be gas-filled, in particular air-filled. Such gap widths have proven to be particularly advantageous. An optimal slit width can be obtained from the consideration that the optical tweezers effect only occurs on divergent rays. A wave-optical examination of the light emission at a light decoupling surface shows that the beam divergence is lower directly at the light decoupling surface than in the spatially distant beam. Thus, if the shielding element is placed sufficiently close to the emission surface, the driving force to transport particles and molecules to the emission surface is significantly reduced. In particular, the entry surface of the shielding element can be designed in such a way that it does not bear against the emission surface in a form-fitting and/or force-fitting manner, as would be the case with encapsulation, for example. The shielding member is a self-supporting body that is not adhered to the emitting surface, as opposed to a potting or other material arranged by a molding process.

Das Abschirmelement kann als Platte oder Block ausgebildet sein und bevorzugt keine beabsichtigten optischen Wirkungen auf das Laserlicht haben. Alternativ hierzu kann das Abschirmelement beispielsweise eine Strahlumlenkung ermöglichen und beispielsweise als Prisma ausgebildet sein, bei dem die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche anders als bei einer Platte oder einem Block nicht entlang der ursprünglichen Strahlrichtung der Laserdiode hintereinander liegen. Weiterhin können zumindest eine oder beide der Eintritts- und Austrittsfläche des Abschirmelements eine zumindest teilweise gekrümmte Form aufweisen. Der vorab beschriebene Abstand zwischen einer gekrümmten Eintrittsfläche und der Emissionsoberfläche ist in diesem Fall durch den größten Abstand zwischen den besagten Flächen im Bereich des Laserlichtstrahls gegeben.The shielding element can be designed as a plate or block and preferably have no intended optical effects on the laser light. As an alternative to this, the shielding element can enable beam deflection, for example, and be designed as a prism, for example, in which the entrance surface and the exit surface, unlike a plate or a block, do not lie one behind the other along the original beam direction of the laser diode. Furthermore, at least one or both of the entry and exit surfaces of the shielding element can have an at least partially curved shape. In this case, the previously described distance between a curved entry surface and the emission surface is given by the greatest distance between said surfaces in the area of the laser light beam.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden bei der hier beschriebenen Laservorrichtung zumindest zwei und besonders bevorzugt alle der folgenden Merkmale kombiniert:

- Führen des aus der zumindest einen Laserdiode durch die Emissionsoberfläche austretenden divergenten Laserlichtstrahls in einem für die Wellenlänge des Laserlichts transparenten Medium des Abschirmelements.
- Führen des Laserlichtstrahls im transparenten Medium solange, bis die Energiedichte des Strahls soweit reduziert ist, dass an der Lichtaustrittsfläche des Abschirmelements keine kritischen Ablagerungen mehr angesammelt werden.
- Platzierung des Abschirmelements so dicht vor der Emissionsoberfläche, dass die im verbleibenden Spalt bestehende Stahldivergenz nicht ausreichend ist, um schädliche Ablagerungen im Bereich der Emissionsoberfläche entstehen zu lassen.

According to a further embodiment, at least two and particularly preferably all of the following features are combined in the laser device described here:

- Guiding the divergent laser light beam emerging from the at least one laser diode through the emission surface in a medium of the shielding element that is transparent to the wavelength of the laser light.
- Guide the laser light beam in the transparent medium until the energy density of the beam is reduced to such an extent that no more critical deposits are collected on the light exit surface of the shielding element.
- Placing the shielding element so close to the emission surface that the steel divergence in the remaining gap is not sufficient to cause harmful deposits to form in the area of the emission surface.

Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further advantages, advantageous embodiments and developments result from the exemplary embodiments described below in connection with the figures.

Es zeigen:

1A und 1B schematische Darstellungen einer Laservorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel und
2 eine schematische Darstellung eines Vergleichsbeispiels eines Lasers.

Show it:

1A and 1B schematic representations of a laser device according to an embodiment and
2 a schematic representation of a comparative example of a laser.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.In the exemplary embodiments and figures, elements which are the same, of the same type or have the same effect can each be provided with the same reference symbols. The elements shown and their proportions to one another are not to be regarded as true to scale; instead, individual elements, such as layers, components, components and areas, may be shown in an exaggerated size for better representation and/or better understanding.

In den 1A und 1B ist eine Laservorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Aufsicht und einer Seitenansicht gezeigt.In the 1A and 1B a laser device 100 according to an exemplary embodiment is shown in a top view and a side view.

Die Laservorrichtung 100 weist zumindest eine Laserdiode 1 auf. Die Laserdiode 1 ist dazu vorgesehen und eingerichtet, im Betrieb Licht abzustrahlen, das zumindest bei Überschreiten bestimmter Schwellenbedingungen Laserlicht 10 ist. Die Laserdiode 1 kann insbesondere wie im allgemeinen Teil beschrieben ausgebildet sein. Die in den 1A und 1B gezeigte Laserdiode 1 ist insbesondere als kantenemittierender Halbleiterlaser ausgebildet. Alternativ hierzu kann die Laserdiode 1 auch als VCSEL ausgebildet sein. Die nachfolgende Beschreibung gilt in diesem Fall entsprechend.The laser device 100 has at least one laser diode 1 . The laser diode 1 is provided and set up to emit light during operation, which is laser light 10 at least when certain threshold conditions are exceeded. the Laser diode 1 can be designed in particular as described in the general part. The in the 1A and 1B The laser diode 1 shown is designed in particular as an edge-emitting semiconductor laser. As an alternative to this, the laser diode 1 can also be in the form of a VCSEL. In this case, the following description applies accordingly.

Weiterhin kann die Laservorrichtung 100 eine Mehrzahl von Laserdioden aufweisen. Auch wenn die nachfolgende Beschreibung sich nur auf eine Laserdiode 1 bezieht, gelten die entsprechenden Merkmale auch für eine Mehrzahl von Laserdioden.Furthermore, the laser device 100 can have a plurality of laser diodes. Even if the following description relates only to one laser diode 1, the corresponding features also apply to a plurality of laser diodes.

Weiterhin weist die Laservorrichtung 100 ein Abschirmelement 2 auf, das der Laserdiode 10 in Abstrahlrichtung des Laserlichts 10 nachgeordnet ist.Furthermore, the laser device 100 has a shielding element 2 which is arranged downstream of the laser diode 10 in the emission direction of the laser light 10 .

Die Laserdiode 1 und das Abschirmelement 2 können, wie in 1B angedeutet ist, beispielsweise auf einem Träger 8 angeordnet und montiert sein. Insbesondere können die Laserdiode 1 und das Abschirmelement 2 vorab gefertigte Komponenten sein, die auf dem Träger 8 montiert werden. Insbesondere ist das Abschirmelement 2 nicht als Verguss oder als ein ähnliches durch einen Formprozess erst auf dem Träger 8 herstellbares Element ausgebildet.The laser diode 1 and the shielding element 2 can, as in 1B is indicated, for example, be arranged on a carrier 8 and mounted. In particular, the laser diode 1 and the shielding element 2 can be prefabricated components that are mounted on the carrier 8 . In particular, the shielding element 2 is not designed as a casting or as a similar element that can only be produced on the carrier 8 by a molding process.

Wie in den 1A und 1B angedeutet ist, kann die Laserdiode 1 mit einem sogenannten Submount 9 auf dem Träger 8 montiert sein, der beispielsweise mit oder aus AlN oder einem anderen gut wärmeleitenden Material sein kann und zur Ableitung von Betriebswärme aus der Laserdiode 1 eingerichtet sein kann.As in the 1A and 1B is indicated, the laser diode 1 can be mounted with a so-called submount 9 on the carrier 8, which can be, for example, with or made of AlN or another material with good thermal conductivity and can be set up to dissipate operating heat from the laser diode 1.

Die Laserdiode 1 weist eine Emissionsoberfläche 11 auf einer Auskoppelseite auf, aus der das im Betrieb erzeugte Laserlicht 10 aus der Laserdiode 1 austreten kann. Die Emissionsoberfläche 11 bildet eine Grenzfläche der Laserdiode 1, mit der die Laserdiode 1 an das umgebende Medium, das kein Bestandteil der Laserdiode 1 ist, angrenzt. Die Emissionsoberfläche 11 kann beispielsweise durch eine Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge der Laserdiode 1 oder durch eine Oberfläche einer Beschichtung auf der Halbleiterschichtenfolge gebildet werden. Das umgebende Medium, das an die Emissionsoberfläche 11 angrenzt, kann besonders bevorzugt Luft sein. Besonders bevorzugt ist die Laserdiode 1 in einer nicht-hermetisch abgedichteten Umgebung angeordnet. Insbesondere kann die Laserdiode 1, besonders bevorzugt die Emissionsoberfläche 11, in direktem Kontakt mit einer die Laservorrichtung 100 umgebenden Atmosphäre und damit als in direktem Kontakt mit Luft stehen.The laser diode 1 has an emission surface 11 on a decoupling side, from which the laser light 10 generated during operation can emerge from the laser diode 1 . The emission surface 11 forms an interface of the laser diode 1, with which the laser diode 1 borders on the surrounding medium, which is not part of the laser diode 1. The emission surface 11 can be formed, for example, by a surface of the semiconductor layer sequence of the laser diode 1 or by a surface of a coating on the semiconductor layer sequence. The surrounding medium bordering the emission surface 11 can particularly preferably be air. The laser diode 1 is particularly preferably arranged in a non-hermetically sealed environment. In particular, the laser diode 1, particularly preferably the emission surface 11, can be in direct contact with an atmosphere surrounding the laser device 100 and thus in direct contact with air.

Das Abschirmelement 2 weist ein für das Laserlicht 10 transparentes Material auf oder ist daraus. Für sichtbare Laserstrahlung kann das Abschirmelement 2 beispielsweise Glas, Saphir oder Diamant oder auch einen im allgemeinen Teil beschriebenen Kunststoff aufweisen oder daraus sein. Beispielsweise für Laserlicht 10 im Infrarotbereich kann das Abschirmelement 2 Silizium aufweisen oder daraus sein. Das Abschirmelement 2 weist eine Eintrittsfläche 21 auf, die der Emissionsoberfläche 11 zugewandt ist und durch die das Laserlicht 10 in das Abschirmelement 2 eintritt. Weiterhin weist das Abschirmelement 2 eine Austrittsfläche 22 auf, durch die das Laserlicht 10 aus dem Abschirmelement 2 austritt.The shielding element 2 has or is made of a material that is transparent to the laser light 10 . For visible laser radiation, the shielding element 2 can have or be made of glass, sapphire or diamond, for example, or also a plastic as described in the general part. For example, for laser light 10 in the infrared range, the shielding element 2 can have or be made of silicon. The shielding element 2 has an entry surface 21 which faces the emission surface 11 and through which the laser light 10 enters the shielding element 2 . Furthermore, the shielding element 2 has an exit surface 22 through which the laser light 10 exits from the shielding element 2 .

Das Abschirmelement 2 kann wie gezeigt als Platte oder Block ausgebildet sein und bevorzugt keine beabsichtigten optischen Wirkungen auf das Laserlicht 10 haben. Alternativ hierzu kann das Abschirmelement 2 beispielsweise eine Strahlumlenkung ermöglichen und beispielsweise als Prisma ausgebildet sein, bei dem die Eintrittsfläche21 und die Austrittsfläche 22 anders als bei einer Platte oder einem Block nicht entlang der ursprünglichen Strahlrichtung der Laserdiode 1 hintereinander liegen. Weiterhin können zumindest eine oder beide der Eintritts- und Austrittsfläche des Abschirmelements eine zumindest teilweise gekrümmte Form aufweisen.As shown, the shielding element 2 can be designed as a plate or block and preferably have no intended optical effects on the laser light 10 . As an alternative to this, the shielding element 2 can enable beam deflection, for example, and be designed as a prism, for example, in which the entry surface 21 and the exit surface 22, unlike in the case of a plate or a block, do not lie one behind the other along the original beam direction of the laser diode 1. Furthermore, at least one or both of the entry and exit surfaces of the shielding element can have an at least partially curved shape.

Wie im allgemeinen Teil beschrieben bewirkt die in 1A angedeutete Strahldivergenz des Laserlichts 10 in Verbindung mit der Energiedichte des Laserlichts 10 einen optischen Pinzetteneffekt. In 2 ist ein Vergleichsbeispiel für eine Laserdiode 1 gezeigt, der kein Abschirmelement nachgeordnet ist und bei der durch den optischen Pinzetteneffekt beispielhaft angedeutete Partikel 99 aus der Umgebung in Richtung der Emissionsfläche 11 transportiert werden. Die dadurch bedingte Materialablagerung auf der Emissionsoberfläche 11 kann zur Verminderung der Ausgangsleistung und zu Beschädigungen führen, die zum Totalausfall des Lasers führen können.As described in the general part, the in 1A indicated beam divergence of the laser light 10 in conjunction with the energy density of the laser light 10 an optical tweezers effect. In 2 a comparison example for a laser diode 1 is shown, which is not arranged downstream of a shielding element and in which particles 99 , indicated by way of example by the optical tweezers effect, are transported from the environment in the direction of the emission surface 11 . The resulting accumulation of material on the emission surface 11 can lead to a reduction in output power and damage that can lead to total failure of the laser.

Die Laservorrichtung 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1A und 1B weist eine Anordnung auf, durch die der optische Pinzetteneffekt ganz oder zumindest teilweise verhindert wird. Die Anordnung und die Ausbildung des Abschirmelements 2 ist besonders bevorzugt derart, dass der divergente Laserlichtstrahl im Abschirmelement 2 und damit in einem Medium geführt wird, in dem die für den Materialtransport notwendigen Kräfte höher sind als die im Laserlichtfeld aufgebauten Kräfte, wodurch der durch den optischen Pinzetteneffekt hervorgerufene Materialtransport zur Emissionsoberfläche 11 der Laserdiode 1 vorzugsweise zum Erliegen kommen kann. Dadurch kann ein Akkumulieren von Ablagerungen an der Emissionsoberfläche 11 unterdrückt werden. Je nach Laserstrahlcharakteristik kann somit der Weg des Laserlichts im Abschirmelement 2 durch eine geeignete Dimensionierung des Abschirmelements und insbesondere einen geeigneten Abstand der Eintrittsfläche 21 zur Austrittsfläche 22 eingestellt werden. Mit der geringeren Strahldichte auf der Lichtaustrittsseite des Abschirmelement 2, also auf der Seite der Austrittsfläche 22, kann ein Verhältnis zwischen Absorption und Desorption erreicht werden, dass nicht mehr zu einer Akkumulation von Partikeln oder Molekülen führt. Selbst wenn es immer noch zu Pinzetteneffekten kommen sollte, wie in 1A rein beispielhaft anhand des Partikels 99 angedeutet ist, sind diese besonders bevorzugt an der Lichtaustrittsfläche des Abschirmelements 2 wesentlich weniger kritisch als an der Emissionsoberfläche 11.The laser device 100 according to the embodiment of FIG 1A and 1B has an arrangement by which the optical tweezers effect is completely or at least partially prevented. The arrangement and design of the shielding element 2 is particularly preferred such that the divergent laser light beam is guided in the shielding element 2 and thus in a medium in which the forces required for material transport are higher than the forces built up in the laser light field, whereby the optical Tweezer effect caused material transport to the emission surface 11 of the laser diode 1 can preferably come to a standstill. This allows an accumulator lation of deposits on the emission surface 11 can be suppressed. Depending on the laser beam characteristics, the path of the laser light in the shielding element 2 can thus be adjusted by suitable dimensioning of the shielding element and in particular a suitable distance between the entry surface 21 and the exit surface 22 . With the lower radiance on the light exit side of the shielding element 2, ie on the side of the exit surface 22, a ratio between absorption and desorption can be achieved that no longer leads to an accumulation of particles or molecules. Even if there should still be tweezing, as in 1A is indicated purely by way of example using the particle 99, these are particularly preferably significantly less critical on the light exit surface of the shielding element 2 than on the emission surface 11.

Der Abstand D zwischen der Emissionsoberfläche 11 und der Eintrittsfläche 21 und damit die Breite des Spalts 3 zwischen der Emissionsoberfläche 11 und der Eintrittsfläche 21 ist bevorzugt kleiner oder gleich 10 µm und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 3 µm. Weiterhin kann der Abstand D größer als 0 sein. Wie in 1A angedeutet ist, kann sich die typischerweise auftretende Strahltaille im Spalt 3 zwischen der Emissionsoberfläche 11 und der Eintrittsfläche 21 befinden, da im Bereich dieser zwar eine hohe Energiedichte, aber keine oder nur eine geringe Divergenz vorliegt.The distance D between the emission surface 11 and the entry surface 21 and thus the width of the gap 3 between the emission surface 11 and the entry surface 21 is preferably less than or equal to 10 μm and particularly preferably less than or equal to 3 μm. Furthermore, the distance D can be greater than zero. As in 1A is indicated, the beam waist that typically occurs can be located in the gap 3 between the emission surface 11 and the entry surface 21, since there is indeed a high energy density in the area of this, but there is little or no divergence.

Die Notwendigkeit eines hermetischen und von organischen Materialien freien Packages für die Laserdiode 1 kann bei der hier beschriebenen Laservorrichtung 100 entfallen. Ein hermetisches Package kann durch eine wesentlich vereinfachte Anordnung ersetzt werden, die insbesondere die zumindest eine Laserdiode 1 und die Anordnung als Ganzes vor mechanischer Beschädigung und Umwelteinflüssen schützen kann. Dadurch können Kosten gesenkt werden und der Platzbedarf für die Laservorrichtung 100 kann wesentlich kleiner im Vergleich zu herkömmlichen Laserpackages sein. Darüber hinaus kann die Laserfunktionalität einfacher und besser in Applikationen und Module integriert werden, was bei dem generellen Trend zur Miniaturisierung ein deutlicher Vorteil ist.The need for a hermetic package that is free of organic materials for the laser diode 1 can be dispensed with in the laser device 100 described here. A hermetic package can be replaced by a significantly simplified arrangement, which in particular can protect the at least one laser diode 1 and the arrangement as a whole from mechanical damage and environmental influences. As a result, costs can be reduced and the space required for the laser device 100 can be significantly smaller in comparison to conventional laser packages. In addition, the laser functionality can be integrated more easily and better into applications and modules, which is a clear advantage given the general trend towards miniaturization.

Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.The features and exemplary embodiments described in connection with the figures can be combined with one another according to further exemplary embodiments, even if not all combinations are explicitly described. Furthermore, the exemplary embodiments described in connection with the figures can alternatively or additionally have further features in accordance with the description in the general part.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited to these by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

BezugszeichenlisteReference List

11: Laserdiodelaser diode
22: Abschirmelementshielding element
33: Spaltgap
88th: Trägercarrier
99: Submountsubmount
1010: Laserlichtlaser light
1111: Emissionsoberflächeemission surface
2121: Eintrittsflächeentry surface
2222: Austrittsflächeexit surface
9999: Partikelparticles
100100: Laservorrichtunglaser device
DD: Abstanddistance

Claims

Laser device (100), comprising at least one laser diode (1) with an emission surface (11) via which the laser diode can emit laser light (10) during operation, and a shielding element (2) with an entrance surface (21) facing the emission surface (11), wherein the laser diode is arranged in a non-hermetically sealed environment and the shielding element (2) is arranged in such a way that an optical tweezers effect caused by the laser light is completely or at least partially prevented.

Laser device (100), comprising at least one laser diode (1) with an emission surface (11) via which the laser diode can emit laser light (10) during operation, and a shielding element (2) with an entrance surface (21) facing the emission surface (11), wherein the entry surface of the shielding element is at a distance from the emission surface of the at least one laser diode that is less than or equal to 10 μm.

Laser device according to one of the preceding claims, wherein the entrance surface of the shield lements a distance from the emission surface of the at least one laser diode, which is less than or equal to 3 microns.

Laser device according to one of the preceding claims, wherein the entry surface of the shielding element has a distance from the emission surface of the at least one laser diode which is greater than 0.

A laser device according to any one of the preceding claims, wherein the shielding member does not adhere to the emission surface.

A laser device according to any one of the preceding claims, wherein the shielding member is transparent to the laser light.

Laser device according to one of the preceding claims, in which the laser light emitted during operation has a beam waist which is located in a gap (3) between the emission surface and the entrance surface.

A laser device according to any one of the preceding claims, wherein the emission surface is adjacent to air.